[논문]연소화염이 존재하는 봉대평판 갭에서 봉전극 형상에 따른 공기의 방전 특성

김인식

doi:10.5207/jieie.2013.27.8.083

연소화염이 존재하는 봉대평판 갭에서 봉전극 형상에 따른 공기의 방전 특성
Discharge Characteristics of Air according to the Shapes of Rod Electrode in the Rod-Plane Gap having Flame on the Plane Electrode 원문보기

照明·電氣設備學會論文誌 = Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, v.27 no.8, 2013년, pp.83 - 89

김인식 (경일대학교 철도전기공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, discharge characteristics of air in the vertical arrangement of three rods(dome-shaped, cylinder-shaped, and needle-shaped rod) and plane gap having propane flame on the plane electrode are examined under the application of a.c. and d.c. high-voltages. As the result of the experiment, flashover voltages in the presence of the flame are substantially lowered than those in the absence of flame, and relative a.c. flashover voltages in the dome-shaped, cylinder-shaped, and needle-shaped rod gaps are found 32.5%, 32.1%, and 26.4% respectively. The polarity effects with the d.c. voltages are shown, and flashover voltages in negative polarity are much lowered than those in positive one. The negative flashover voltages in the dome-shaped and cylinder-shaped gaps are found 18.3% and 18.7% respectively, but the positive ones are found 53.5% and 43.2% respectively. In the needle-shaped rod gaps, meanwhile, the flame is extinguished by corona wind, and the quenching voltages are found 28.4% under the application of a.c. voltages. The ion winds of corona and the reduction of air density are the main factors of flashover reduction owing to the flame in the case of a.c. voltages, but the electrifications of the positive ion by thermal ionization besides the above factors are remarkably found in the case of d.c. voltages.

주제어

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문제 정의

본 논문에서는 고전압 절연시스템에서 대표적인 3 종류의 봉전극을 사용하여 수직배치형 봉대 평판전극 시스템을 구성하였으며, 평판전극상에 연소화염이 존재할 때 봉전극 형상에 따른 공기의 섬락전압특성을 조사하였다. 상용주파수 교류 및 직류전압을 인가하여 화염이 없을 때와 화염이 존재할 경우의 섬락전압을 측정하여 상호 비교하였다.
본 연구에서는 수직배치형 봉대 평판전극에서 평판전극상에 프로판 화염이 존재할 때 봉전극 형상에 따른 공기의 섬락전압 특성을 조사하여 다음과 같은 결과를 얻었다.

제안 방법

상용주파수 교류 및 직류전압을 인가하여 화염이 없을 때와 화염이 존재할 경우의 섬락전압을 측정하여 상호 비교하였다. 또한 화염의 유무, 화염과 봉전극의 배치상태에 따른 코로나 및 섬락 발생 시 전압 및 전류파형을 관측하였다.
본 논문에서는 고전압 절연시스템에서 대표적인 3 종류의 봉전극을 사용하여 수직배치형 봉대 평판전극 시스템을 구성하였으며, 평판전극상에 연소화염이 존재할 때 봉전극 형상에 따른 공기의 섬락전압특성을 조사하였다. 상용주파수 교류 및 직류전압을 인가하여 화염이 없을 때와 화염이 존재할 경우의 섬락전압을 측정하여 상호 비교하였다. 또한 화염의 유무, 화염과 봉전극의 배치상태에 따른 코로나 및 섬락 발생 시 전압 및 전류파형을 관측하였다.
그림 4 (c)는 침단봉 갭에 대한 교류 섬락 및 소화전압 특성을 나타낸 것이다. 이 경우 활발한 침단 코로나에 의해 섬락 발생 전에 화염이 소화되었으므로 소화전압을 측정하였다. 갭길이가 비교적 작은 범위, 즉 d=1㎝와 2㎝에서는 섬락과 동시에 화염이 쓰러져 소화되는 현상이 일어났으며, 그림 4 (c)에서 섬락발생을 ☆표로서 표시하였다.
화염내부 및 주변 대기의 온도는 서미스터 온도계와 백금-백금로지움 열전대 온도계(thermometer)를 사용하여 측정하였다. 그림 3은 화염으로 부터 수직 거리에 대한 공기의 온도분포를 나타낸 것이다.

대상 데이터

교류 고전압의 발생은 고압발생장치(High Voltage Generator)를 사용하였으며, 이 장치의 정격은 3㎸A,50㎸이다. 직류 전압은 실리콘정류기를 사용하여 고전압 교류로 부터 정류하였다.
연료는 프로판 가스(propane gas)이며, 주성분은 메탄계의 탄화수소(C₃H₈)이다. 물성은 0℃, 1기압에서 1ℓ의 질량은 2.
그림 1은 실험장치의 개략도이며, 봉대평판 전극을 수직 배치하였다. 전극재질은 스테인리스강(stainlesssteel)이며, 봉전극은 직경 10㎜, 평판전극은 직경 150㎜로 제작하였다. 그림 2와 같이 봉전극은 3종류로 하였으며, (a)선단을 반경 5㎜인 반구형으로 한 것(이하 반구봉이라 함), (b)선단을 직각으로 평탄하게 한 것(이하 평단봉이라 함), (c)선단각을 약 30° 원추형으로 한 것(이하 침단봉이라 함)을 사용하였다.

성능/효과

(1) 화염 존재시 반구봉, 평단봉 및 침단봉 갭에서 교류섬락전압의 평균값은 각각 32.5%, 32.1% 및 26.4%이며, 가장 섬락전압이 낮은 조건은 d=4㎝인 평단봉 갭으로서 이 경우 상대 섬락전압은 21.6%였다. 한편 침단봉 갭일 때 갭길이가 증가하면 코로나 이온풍에 의해 화염은 소화되었으며, 평균 소화전압은 약 28.
(2) 직류 섬락전압은 극성효과가 나타났으며, 반구봉 및 평단봉 갭의 부극성 섬락전압의 평균값은 각각 18.3% 및 18.7%이며, 정극성일 때의 평균값은 각각 53.5% 및 43.2%로서 부극성인 경우가 훨씬 낮은 것으로 나타났다. 한편 침단봉 갭에서는 침단 코로나에 의해 섬락 발생 전에 화염은 소화되었으며, 정극성 및 부극성에서 소화전압의 평균값은 각각 24.
(3) 침단봉 갭에 대한 코로나 및 섬락 발생 시 교류 전압 및 전류파형을 관찰하였으며, 화염이 없는 경우와 화염 외부에 침선단이 배치된 경우는 교류 정극성에서 섬락과 코로나가 활발하였으나, 침선단이 화염 내부에 배치된 경우는 교류 부극성에서 코로나와 섬락이 발생한것으로 나타났다.
(4) 화염 존재 시 교류 섬락전압의 저하에 미치는 주요 요인은 코로나 이온풍의 발생과 고온 화염에 의한 공기밀도 저하이며, 직류 섬락전압에서는 상기 요인 외에 열전리 작용에 의한 화염의 양이온 대전현상이큰 영향을 미치는 것으로 나타나고 있다.
그림 7 (a)은 반구봉 갭인 경우이며 d=2㎝, 3㎝ 및 4㎝에서 화염 존재 시 정극성 섬락전압은 각각 55.8%, 52.6% 및 52.1%이며, 부극성 섬락전압은 각각 19.1%, 14.8% 및 21.1%이었다. 따라서 부극성일 때 섬락전압의 평균값은 약 18.
1%이었다. 따라서 부극성일 때 섬락전압의 평균값은 약 18.3%이며, 이는 정극성일 때의 평균값 약 53.5%보다 매우 낮은 것으로 나타났다. 그림 7 (b)은 평단봉 갭인 경우이며, d=2㎝, 3㎝ 및 4㎝에서 정극성 섬락전압은 각각 51.
이는 동일한 전극배치의 교류전압 특성과 유사한 경향을 보이고 있다. 또한 d=4㎝ 이내에서 소화전압은 극성효과가 나타났으며, 부극성이 정극성보다 약간 낮은 것으로 나타났다.
화염의 유무에 따른 섬락전압을 함께 표시하였으며, 화염 존재 시의 섬락전압은 화염이 없는 경우에 비해 크게 저하된 것으로 나타났다. 또한 직류전압인가 시 극성효과가 나타났으며, 3종류의 봉갭에서 화염이 없을 때 부극성 섬락전압은 정극성의 경우보다 약간 높은 것으로 나타나고 있으나, 화염이 존재하면 부극성 섬락전압이 정극성보다 낮은 것으로 나타났다.
6%였다. 한편 침단봉 갭일 때 갭길이가 증가하면 코로나 이온풍에 의해 화염은 소화되었으며, 평균 소화전압은 약 28.4%인 것으로 나타났다.
그림과 같이 화염 존재 시의 섬락전압은 화염이 없는 경우에 비해 매우 낮은 것으로 나타났다. 화염 존재 시 절연내력의 저하를 나타내기 위해 화염이 없을 때의 섬락전압을 기준값(100)으로 하고, 화염 존재 시의 섬락전압을 상대값%으로 표시할 때, 그림 4 (a) 반구봉 갭인 경우 d=1㎝, 2㎝, 3㎝ 및 4㎝에서 각각 24.0%, 30.1%, 37.8% 및38.1%이며, 교류 섬락전압의 평균값은 32.5%인 것으로 나타났다.
화염내부 온도는 약 660∼700℃이며, 화염으로부터 거리가 증가할수록 대기온도는 급격하게 저하되는 것으로 나타났다.
화염의 유무에 따른 섬락전압을 함께 표시하였으며, 화염 존재 시의 섬락전압은 화염이 없는 경우에 비해 크게 저하된 것으로 나타났다. 또한 직류전압인가 시 극성효과가 나타났으며, 3종류의 봉갭에서 화염이 없을 때 부극성 섬락전압은 정극성의 경우보다 약간 높은 것으로 나타나고 있으나, 화염이 존재하면 부극성 섬락전압이 정극성보다 낮은 것으로 나타났다.

후속연구

이상의 결과는 화염 플라즈마에 의한 절연파괴 메카니즘의 규명이나, 화염이 존재하는 각종 고전압 설비 등에서 합리적 절연 설계의 기본 자료로서 활용될 수있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	본 실험에서 사용한 봉전극은 3가지 종류인데, 어떤 종류를 사용하였는가?	전극재질은 스테인리스강(stainlesssteel)이며, 봉전극은 직경 10㎜, 평판전극은 직경 150㎜로 제작하였다. 그림 2와 같이 봉전극은 3종류로 하였으며, (a)선단을 반경 5㎜인 반구형으로 한 것(이하 반구봉이라 함), (b)선단을 직각으로 평탄하게 한 것(이하 평단봉이라 함), (c)선단각을 약 30° 원추형으로한 것(이하 침단봉이라 함)을 사용하였다.
	H. Kiwaki 등은 연구를 통해 화염의 도전율을 어떻게 구하였는가?	Koyama 등은 MHD발전과 관련된 연구로서 칼륨 등을 시드(seed)한 화염의 도전율을 임피던스 법으로 측정하였으며[3], H. Kiwaki 등은 버너(burner)를 전극으로 하여 교류 브리지법을 사용하여 화염의 도전율을 구하였다[4]. 또한 고전압 및 방전공학적 측면에서 금속전극 사이에 화염이 존재하는 경우 매질의 절연특성에 대해서도 최근 많이 발표되고 있다[5-6].

참고문헌 (10)

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K. Koyama, T. Sekiguchi, "The Measurement of the Electrical Conductivity of Seeded Flame Plasmas," Trans. on IEE Japan, Vol.87-6, No. 945, pp.1145-1151, 1987.
H. Kiwaki, S. Komeji, "Electrical Properties of Combustion Flames," Journal of Applied Physics Japan, Vol.41, No. 10, pp.1077-1084, 1972.
I. Kim,, K. Lee, "Flashover Characteristics of the Horizontal Air-Gaps Caused by Combustion Flames", Journal of KIIEE, Vol. 16, No. 1, pp. 27-34, 2002.

원문보기 상세보기
I. Kim, "The Influence of Combustion Flame on AC and DC Flashover Characteristics in the Air-Gaps Simulated Overhead Power Lines", Journal of KIIEE, Vol. 24, No. 5, pp. 152-159, 2010.

원문보기 상세보기
K. S. Park, I. S. Kim, "Influence of Combustion Flame on Breakdown Characteristics of Vertical Model Power Lines", Journal of KIEE, Vol. 22, No. 4, pp. 85-92, 2008.

원문보기 상세보기
G. Gallet, et al "General Expression for Positive Switching Impulse Strength Valid up to Extra Long Air Gaps", IEEE Trans. PAS, Vol. 94, No. 6, pp. 1989-1993, 1975.

상세보기
E. Kuffel, W. S. Zaengle, "High Voltage Engineering, Fundamentals", Pergamon Press, pp.297-377, 1984.
S. V. Shevnov, "Simulation of Thermal Ionization in a Dense Plasma by the Feynman Path Method", Journal of Experimental and Theoretical Physics, Vol. 112, No. 4, pp.668-693, 2011.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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